張海波,劉珂,蘇榮國,石曉勇,*,裴紹峰,王修林,王國善,王爽
( 1. 中國海洋大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,山東 青島 266100;2. 自然資源部海洋減災(zāi)中心,北京 100194;3. 中國地質(zhì)調(diào)查局濱海濕地生物地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266071)
綠潮是由于近海富營養(yǎng)化等因素引發(fā)大型綠藻急速增殖聚積的現(xiàn)象,近些年來成為一種世界范圍內(nèi)的海洋生態(tài)災(zāi)害[1-3]。南黃海自2007 年已連續(xù)13 年(至2019)受到漂浮滸苔(Ulva prolifera)綠潮的影響[4],暴發(fā)因素主要分為生物和環(huán)境因素。首先滸苔具有快速吸收利用營養(yǎng)鹽、繁殖方式多樣性、生長速度快及較強(qiáng)的適應(yīng)性等優(yōu)勢[5-7],成為綠潮優(yōu)勢藻;其次南黃海近海豐富的營養(yǎng)鹽、風(fēng)和流的作用、適宜的溫度光照等環(huán)境因素[8]使得其成為世界最大規(guī)模的綠潮災(zāi)害。綠潮災(zāi)害生消過程中會占據(jù)生存空間,影響生物多樣性、養(yǎng)殖業(yè)及旅游觀光業(yè),給生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來損害[9]。
營養(yǎng)鹽作為生物生長必需的生源要素,其含量和結(jié)構(gòu)對群落結(jié)構(gòu)有重要影響[10]。營養(yǎng)鹽超標(biāo)導(dǎo)致的海水富營養(yǎng)化是赤潮、綠潮等海洋災(zāi)害頻繁暴發(fā)的主要原因[11-13]。滸苔藻能同時(shí)吸收利用多種形態(tài)的N、P 組分,豐富的營養(yǎng)鹽尤其是充足的N 源是其生長的重要基礎(chǔ)[14-16]。南黃海屬于北太平洋西部半封閉陸架淺海,西南近海受人類活動以及洋流系統(tǒng)等因素影響營養(yǎng)鹽含量豐富,北部受季節(jié)性冷水團(tuán)及缺少輸入源影響,營養(yǎng)鹽含量低[17]。南黃海綠潮特征為持續(xù)時(shí)間長(4 月底至8 月初)、影響范圍廣(32°~37°N)[18],從南向北漂移發(fā)展過程中經(jīng)歷了復(fù)雜的環(huán)境,在不同階段內(nèi)受到影響因素不同[19]。
為進(jìn)一步分析南黃海綠潮發(fā)展規(guī)律與營養(yǎng)鹽區(qū)域特征關(guān)系,及不同發(fā)展階段營養(yǎng)鹽來源。本文根據(jù)2018 年綠潮發(fā)展時(shí)空變化及暴發(fā)前后營養(yǎng)鹽現(xiàn)存量變化區(qū)域特征,深入分析南黃海營養(yǎng)鹽與綠潮相互影響,以期對綠潮發(fā)展規(guī)律及其生態(tài)環(huán)境影響做進(jìn)一步了解。
分別于2018 年4 月(春季,3 月28 日至4 月4 日,綠潮暴發(fā)前)和7 月(夏季,7 月24-30 日,綠潮發(fā)展后期),搭載國家基金委共享航次—“東方紅2”號科考船于南黃海海域進(jìn)行調(diào)查。調(diào)查范圍集中在32°~36.2°N,124°E 以西海域,包含除海州灣近海外綠潮影響海域(圖1)。
圖 1 南黃海研究區(qū)域洋流系統(tǒng)(a)及站位設(shè)置(b, c)Fig. 1 The current system (a) and sampling stations (b, c) in the study area of the southern Yellow Sea
現(xiàn)場使用Seabird 911-Niskin 聯(lián)用采水和測定溫度(T)和鹽度(S)參數(shù),春季采集表層、中層和底層水體,夏季采集表層、真光層、中層和底層水體。水樣經(jīng)GF/F(Whatman,450℃灼燒4 h)過濾后冷凍保存,使用SEAL-AA3 流動分析儀測定,各營養(yǎng)鹽均按照海洋調(diào)查規(guī)范方法(GB/T 12763.6—2007)測定,其中和采 用 重 氮?偶 氮 法(銅?鎘 還原),使 用 靛 酚 藍(lán) 法,使 用 磷 鉬 藍(lán) 法,以硅 鉬 藍(lán) 法 測 定。檢出限分別為0.02 μmol/L、0.02 μmol/L、0.04 μmol/L、0.02 μmol/L、0.03 μmol/L。溶解無機(jī)氮(DIN)為加和。海水總懸浮顆粒物(Total Suspended Particulate,TSP)使用重量法[20]采集測定。各營養(yǎng)鹽平面分布圖使用Surfer 12 繪制。
2018 年綠潮漂移路徑、分布面積變化數(shù)據(jù)收集自自然資源部北海預(yù)報(bào)中心每日大型藻類預(yù)警公報(bào),其結(jié)果解譯自MODIS-TERRA 和RADARSAT 衛(wèi)星數(shù)據(jù)[21-22]。
2018 年4 月25 日在江蘇南通近海首先發(fā)現(xiàn)零星漂浮滸苔,隨后在適宜光照、溫度等[23]因素影響及風(fēng)和洋流[6]控制下,向北漂移并不斷增殖擴(kuò)大。5 月30 日漂移至35°N 線附近(圖2)。6 月29 日,綠潮分布面積和覆蓋面積達(dá)到最大(38 046 km2和193 km2)。7 月23 日后,綠潮完全漂浮至35°N 以北海域,隨后分布面積不斷減小進(jìn)入消亡期。8 月中旬完全消失,持續(xù)時(shí)間約110 余天[24]。
根據(jù)滸苔聚積狀態(tài)分析,江蘇近海綠潮初期以零星狀態(tài)(<100 cm2)和小的條狀(<3 m2)滸苔斑塊為主[25],且藻體呈墨綠色,藻體內(nèi)葉綠素(1.1~1.4 mg/g)及N、P 元素(N>40 mg/g,P>0.6 mg/g,干重)含量較高。當(dāng)綠潮進(jìn)入35°N 以北山東半島南部外海,綠潮以長條狀(>100 m)和高聚積狀態(tài)(>1 km2)為主,聚積的滸苔斑塊最厚達(dá)0.5 m,藻體呈淺綠色,藻體內(nèi)葉綠素(<0.4 mg/g)和N、P 元素(N<20 mg/g,P<0.2 mg/g,干重)含量較江蘇近海明顯降低[26-27]。對綠潮暴發(fā)海域、規(guī)模變化和漂移路徑對比分析發(fā)現(xiàn),其發(fā)展集中在122°E 以西近海,在南部江蘇近海綠潮處于快速增長階段;當(dāng)綠潮完全進(jìn)入北部(35°N 以北),其規(guī)模迅速減小,綠潮處于快速消亡階段。
圖 2 2018 年南黃海漂浮滸苔綠潮規(guī)模(多邊形為綠潮邊界范圍)和位置發(fā)展變化特征Fig. 2 The development of floating Ulva prolifera green tide in the southern Yellow Sea in 2018
春季南黃海營養(yǎng)鹽主要受徑流輸入[28]和沿岸流混合(表1,TSP 較高)及北部青島冷水團(tuán)和外海暖流影響[29-31],各營養(yǎng)鹽均呈現(xiàn)明顯的西南江蘇近海高、北部區(qū)域 (約35°N 以北)低的分布特征(圖3)。其中DIN 范圍在0.62~55.23 μmol/L 之間,平均含量為(8.86±8.71) μmol/L,其主要組分為,約占DIN 的85.9%;其中表層受徑流輸入影響含量為(11.56±11.88) μmol/L,高于中層 ((6.06±3.57) μmol/L)和底層 (7.21±3.79) μmol/L)。含 量 在0.01~0.79 μmol/L 之 間, 平 均 為(0.30±0.18) μmol/L;東部深層水受暖流[30]影響呈現(xiàn)高值,垂向分布從表層向底層逐漸升高。含量在0.26~28.07 μmol/L 之 間, 平 均 含 量 為( 8.47±5.6) μmol/L,同DIN 和分布趨勢相同,垂向分布為表層受近岸混合影響含量 ((9.49±6.8) μmol/L)最高,其次為受再懸浮影響的底層 ((8.07±4.39) μmol/L),中層 ((7.24±4.23) μmol/L)最低。
夏季各營養(yǎng)鹽組分較春季下降明顯,分布同春季類似,整體呈現(xiàn)西南近海高、北部低的特征。受大范圍的溫躍層影響,北部真光層以上營養(yǎng)鹽被消耗利用而得不到及時(shí)補(bǔ)充,含量較低,而中層以下受冷水團(tuán)以及底層再懸浮釋放[32]等因素影響,營養(yǎng)鹽含量高。其中DIN 平均含量為(6.09±5.92) μmol/L,較春季降低30.9%,高值區(qū)集中在江蘇和長江口外海域,低值區(qū)在北部冷水團(tuán)上層海域,DIN 含量在1 μmol/L 以下,不利于漂浮滸苔的生長[33],表層受沿岸水影響含量較高,垂向從真光層向底層逐漸上升(圖4,表1)。
平均含量為(0.19±0.21) μmol/L,較春季下降36.7%。受滸苔及浮游微藻等對P 吸收儲存[34]及溫躍層限制影響,表層和真光層含量((0.13±0.17) μmol/L 和(0.10±0.13) μmol/L)明顯低于中層和底層((0.21±0.19) μmol/L和(0.36±0.23) μmol/L),同DIN 類似北部表層含量低于0.03 μmol/L,較低的磷不利于生物光合生長。平均含量為(7.33±6.36) μmol/L,較春季下降13.4%,降幅低于DIN 和,其分布特征同DIN 和類似,高值區(qū)集中在受長江、江蘇近岸徑流影響海域,低值區(qū)在北部冷水團(tuán)上層。
對比春、夏季調(diào)查海域內(nèi)營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)特征發(fā)現(xiàn)(表1),春季各營養(yǎng)鹽比值均偏離Redfield 比值[35],其中受徑流輸入影響的沿岸水(低鹽高營養(yǎng)鹽)和北部青島冷水團(tuán)(低溫低營養(yǎng)鹽),呈現(xiàn)較高的N/P 比值和低Si/N,而在黃海暖流影響水團(tuán)(高)各營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)較符合Redfield 比值。夏季受徑流輸入影響較春季明顯(表1,鹽度降低),但受生物活動等因素影響各營養(yǎng)鹽含量較春季降低明顯,而營養(yǎng)鹽比值較春季明顯升高偏離Redfield 比值。表層和真光層內(nèi)受生物吸收利用和溫躍層影響,各營養(yǎng)鹽含量較低,原子比值較高。沿岸水受徑流輸入影響,N/P 比值達(dá)(87.40±54.90),較高的N/P 比值有利于滸苔偏向N 吸收的特性[33,36-37]。
表 1 南黃海調(diào)查海域春、夏季不同水團(tuán)中溫度(T)、鹽度(S)、營養(yǎng)鹽濃度Table 1 Salinity, temperature, nutrient concentrations in different water-masses of the study area in the southern Yellow Sea during spring and summer
圖 3 春季(2018 年4 月)南黃海各水層營養(yǎng)鹽分布Fig. 3 Horizontal distributions of nutrients in the southern Yellow Sea in spring (April 2018)
南黃海綠潮優(yōu)勢藻種滸苔是一種廣溫、廣鹽、耐干露的大型綠藻,營養(yǎng)鹽吸收速率較快[38]。當(dāng)營養(yǎng)鹽豐富時(shí)有“過度消費(fèi)”吸收儲存的作用,是重要的營養(yǎng)鹽儲庫[34,39]。
對比綠潮發(fā)展過程中(春、夏季)表層營養(yǎng)鹽分布特征和綠潮的漂移發(fā)展區(qū)域(圖2 至圖4),呈現(xiàn)3 個(gè)明顯的綠潮?營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)特征海區(qū)。(1)35°N 以南122°E 以西江蘇近海,呈現(xiàn)高營養(yǎng)鹽?綠潮快速發(fā)展特征;(2)122°E 以西35°N 以北山東半島外海域,呈現(xiàn)明顯的低營養(yǎng)鹽?綠潮聚積衰退的特征;(3)122°E 以東外海非綠潮影響區(qū)域。
各特征海區(qū)在綠潮發(fā)展期間表層環(huán)境要素以及營養(yǎng)鹽變化表明(表2)。南黃海122°E 以西綠潮漂移發(fā)展區(qū)域內(nèi)(圖5),受徑流輸入[28]、養(yǎng)殖廢水排放[40]、大氣沉降[41]以及混合等因素影響,較122°E 以東外海,水體懸浮顆粒物較高,具有較高的DIN,尤其是組分含量和N/P 比值,有利于漂浮態(tài)滸苔的生長[42],其中DIN 在綠潮前后含量降低5.45 μmol/L,且以為主,降幅37%,降低0.05 μmol/L,幅度為23%,減少量的ΔDIN/P 比值為109。而122°E 以東外海非滸苔綠潮區(qū)域,主要受黃海暖流和冷水團(tuán)等洋流體系影響,水體透明度高,春夏間DIN,含量減少1.16 μmol/L,幅度為18%,降低0.21 μmol/L,幅度為72%,其減少量的ΔDIN/P 比值為5.5,遠(yuǎn)小于西部近岸滸苔綠潮影響海域。
圖 4 夏季(2018 年7 月)南黃海各水層營養(yǎng)鹽分布Fig. 4 Horizontal distributions of nutrients in the southern Yellow Sea in summer (July 2018)
對比35°N 南北兩個(gè)綠潮特征區(qū)域發(fā)現(xiàn)(圖5),在35°N 以南江蘇近海受陸源輸入影響,絕大部分海域超過Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),甚至超過Ⅴ類水質(zhì);同時(shí)受徑流輸入、大氣沉降及上升流[41,43]等輸入影響,營養(yǎng)鹽含量保持較高水平,尤其是春季綠潮前期含量明顯高于滸苔藻生長的限制濃度6.5 μmol/L 和0.27 μmol/L[33],有利于漂浮滸苔的快速生長。綠潮前后N 組分明顯減少,約7.73 μmol/L,降低0.05 μmol/L,幅度為18%。7 月下旬大規(guī)模的高聚集態(tài)綠潮漂移至35°N 以北低營養(yǎng)鹽區(qū)域,DIN 和明 顯(4 月 綠 潮 前 期 的(1.83±1.15) μmol/L 和(0.05±0.01) μmol/L,7 月 綠 潮 在 此 區(qū) 域 的(1.83±1.24) μmol/L 和(0.02±0.01) μmol/L) 低于滸苔藻持續(xù)生長的最低濃度,限制綠潮的發(fā)展。較江蘇近海綠潮快速增殖階段,N、P 組分降低值和幅度較低(DIN 值和幅度分別降低6.73 μmol/L 和33%,值和幅度分別降低0.05 μmol/L 和18%),說明綠潮發(fā)展中營養(yǎng)鹽來源主要來自江蘇近海,北部較低的營養(yǎng)鹽可能是限制綠潮繼續(xù)發(fā)展的重要因素,滸苔體內(nèi)氮磷元素以及葉綠素含量較江蘇近海明顯降低也證明了此假設(shè)[26-27]。在滸苔暴發(fā)前后營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)變化特征說明,大面積暴發(fā)的滸苔綠潮具有快速和大量吸收DIN 和的特征[15,44],且吸收的DIN/P 比值較高,對減輕江蘇近海氮超標(biāo)的富營養(yǎng)化狀況[45]具有十分重要的意義。
表 2 調(diào)查海域綠潮暴發(fā)前后滸苔漂移區(qū)域與非滸苔區(qū)域表層營養(yǎng)鹽對比Table 2 The variations of nutrients and hydrological parameters of surface layer in different development phases area of green tides
2018 年綠潮發(fā)現(xiàn)時(shí)間早,規(guī)模在6 月29 日達(dá)到最大,持續(xù)時(shí)間約110 d。其漂移路徑集中在122°E以西海域,快速增殖階段在江蘇南部近海,聚積沉降階段在35°N 以北山東半島外海域。
南黃海海域受徑流輸入、水團(tuán)、外海暖流以及生物吸收利用等因素影響,春季混合均勻,夏季受冷水團(tuán)溫躍層影響垂向差異明顯。各營養(yǎng)鹽除組分整體呈現(xiàn)江蘇近岸高北部(約35°N 南北)及遠(yuǎn)海低的特征。
江蘇近海豐富的營養(yǎng)鹽含量和來源是滸苔綠潮形成和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)和營養(yǎng)鹽來源。山東半島外海域較低的營養(yǎng)鹽水平是限制綠潮繼續(xù)發(fā)展的重要因素。
圖 5 2003?2018 年江蘇近岸海水主要觀測站點(diǎn)(a)和水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)分布(b)Fig. 5 The sampling stations (a) and the water quality in coastal area of the Jiangsu Province during 2003?2018 (b)